ステーブラー・ロンスキー効果

シュテーブラー・ロンスキー効果(SWE) は、水素化アモルファスシリコンの特性における光誘起の準安定変化を指します。

水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）の欠陥密度は光にさらされるにつれて増加し、再結合電流が増加し、太陽光を電気に変換する効率が低下します。

これは1977年にデイビッド・L・ステーブラーとクリストファー・R・ロンスキーによって発見されました。彼らは、水素化アモルファスシリコンの暗電流と光伝導性は、強い光を長時間照射することで大幅に低下することを示しました。しかし、サンプルを150℃以上に加熱すると、その効果が逆転する可能性がありました。^[1]

• 光伝導率と暗伝導率は最初は急速に減少しますが、その後低い値で安定します。
• 照明の中断はその後の変化率には影響しません。サンプルが再び照明されると、中断がなかったかのように光伝導性が低下します。

シュテーブラー・ロンスキー効果の正確な性質と原因はまだよくわかっていません。ナノ結晶シリコンはアモルファスシリコンよりもシュテーブラー・ロンスキー効果の影響を受けにくいため、アモルファスシリコン Si ネットワークの無秩序性が大きな役割を果たしていると考えられます。役割を果たす可能性のある他の特性としては、水素濃度とその複雑な結合メカニズム、および不純物の濃度があります。

歴史的に、最も好まれているモデルは水素結合スイッチングモデルである。^[2]このモデルは、入射光によって形成された電子正孔対が弱い Si-Si 結合の近くで再結合し、結合を破壊するのに十分なエネルギーを放出する可能性があると提唱している。次に、隣接する H 原子が Si 原子の 1 つと新しい結合を形成し、ダングリングボンドが残る。これらのダングリングボンドは電子正孔対をトラップできるため、通過できる電流が減少する。しかし、新しい実験的証拠がこのモデルに疑問を投げかけている。最近では、H 衝突モデルにより、空間的に離れた 2 つの再結合イベントによって Si-H 結合から可動性水素が放出され、2 つのダングリングボンドが形成され、離れた場所で準安定な H ペア状態が水素原子に結合すると提唱されている。^[3]

アモルファス シリコン太陽電池の効率は、通常、動作開始から 6 か月以内に低下します。この低下は、材料の品質とデバイス設計に応じて 10% から 30% の範囲になります。この低下のほとんどは、セルの充填率に起因します。この最初の低下の後、効果は平衡に達し、それ以上の劣化はほとんど発生しません。平衡レベルは動作温度とともに変化するため、モジュールの性能は夏季にいくらか回復し、冬季に再び低下する傾向があります。^[4]市販されている a-Si モジュールのほとんどは SWE 劣化が 10～15% の範囲であり、サプライヤーは通常、SWE 劣化が安定した後の性能に基づいて効率を指定します。一般的なアモルファス シリコン太陽電池では、スタブラー・ロンスキー効果により、最初の 6 か月で効率が最大 30% 低下し、充填率は 0.7 超から約 0.6 に低下します。この光誘起劣化は、光起電材料としてのアモルファス シリコンの主な欠点です。^[5]

• アモルファスシリコンの代わりにナノ結晶シリコンを使用する
• より高い温度で動作します。これは、PV を光電熱ハイブリッド太陽熱集熱器(PVT) に統合することで実現できます。
• 1層以上のアモルファスシリコンの薄い層を他の材料と積み重ねて多接合太陽電池を形成します。^[6]薄い層に印加される電界が高くなるとSWEが減少するようです。